摘要：本文详细介绍了无人机机载激光炮在输电线路清除漂挂物工作过程的应用，该项目的成功研发，大大降低了输电线路人员在清除漂挂物的作业风险及作业难度，同时大大减少了整个清除漂挂物工作所有时间，从整体上提高了工作效率与工作质量。
关键词：输电线路；CO2激光炮；漂挂物
0引言
江门市地处珠江三角洲西部，且东南面靠海。加之江门市农村生活垃圾处理成效较低。日常生活产生的塑料袋、气球、风筝、鱼线等都有可能成为漂浮物对输电线路会照成巨大的安全隐患。传统的处理方法需要办理工作票，设备停电和人员攀爬杆塔。处理过程不仅繁琐复杂还十分危险，对生产也造成了非常大的影响。所以，漂浮物的出现不仅仅影响到了正常线路的安全运行，更无形的增加了线路运行人员线路排查故障的压力及工作量。
1 项目设计与实现
漂浮物有多种，大体常见的有气球、塑料袋、鸟巢、动物等。当漂浮物在空中漂浮的时候很有可能将多条高压线缠绕在一起，在下雨天就极其容易造成线路故障。当11万伏及以上的高压线路产生故障的时候就会影响大部分地区的电力供应。所以及时、快速、安全的清除漂浮物是非常有必要的。
为保证人员安全，亦有尝试使用无人机载喷火装置来处理漂浮物。虽然能够解决人员攀爬杆塔降低安全隐患等问题。但江门市的输电线路大部分位于山区，且部分线路横跨农田村庄。使用无人机载喷火装置有很大的局限性。由于喷火装置使用汽油为燃料，少量泄漏的汽油都很有可能引发山林火灾，或者给农民的农作物及土地带来污染与破坏。对他人财产以及公共安全都带来了不小的隐患。部分特殊的线路（如置于地线中的OPGW光缆）并不耐高温。使用喷火装置处理漂浮物可能会导致线路损坏，需要更换整段线路。除了无人机载喷火装置，亦有在地面使用的激光大炮。纵使有地面使用的激光大炮（二氧化碳激光管发射的远红外波长为10.6μm对金属没有影响），但是激光大炮使用起来较为繁琐，很难瞄准在高空中的漂浮物。即使能瞄准，但是由于高空风较大，对漂浮物很有可能会造成轻微的晃动。地面激光炮由于距离问题，远距离激光散射严重，光斑较大。对付晃动中的漂浮物处理能力较弱。甚至会有部分漂浮物由于悬挂于相对较高的线路上，超过了地面激光的最大射程。相对于传统的处理方法，喷火以及地面激光炮的处理方法虽然有极大的改善，但是还不是最优的解决方法。
为解决上述的问题，将通过研发无人机机载激光炮，解决喷火炮以及地面激光炮的存在的应用缺陷与环境局限。首先，利用无人机自身能远距离操控和360度无死角视觉的特点，可以近距离接近输电线路本体及漂浮物，然后，无人机同时由装有由陀螺仪（飞行姿态感知），加速计，地磁感应，气压传感器（悬停高度粗略控制），超声波传感器（低空高度精确控制或避障），光流传感器（悬停水平位置精确确定），GPS模块（水平位置高度粗略定位），以及控制电路等组成的飞控芯片进行驱动控制，所以具备空中准确定位悬停的能力，大大提高了在清除漂浮物过程的对焦效率。（见图1飞控原理图）
图1 飞控原理图
然后，利用二氧化碳激光有比较大的功率和比较高的能量转换效率。一般的闭管二氧化碳激光器可有几十瓦的连续输出功率，这远远超过了其他的气体激光器，横向流动式的电激励二氧化碳激光器则可有几十万瓦的连续输出。此外横向大气压二氧化碳激光器，从脉冲输出的能量和功率上也都达到了较高水平，可与固体激光器媲美。二氧化碳激光器的能量转换效率可达30～40%，这也超过了一般的气体激光器。然后，二氧化碳激光是利用CO2分子的振动-转动能级间的跃迁的，有比较丰富的谱线，在10微米附近有几十条谱线的激光输出。近年来发现的高气压二氧化碳激光器，甚至可做到从9～10微米间连续可调谐的输出。再者，二氧化碳激光的输出波段正好是大气窗口（即大气对这个波长的透过率较高）。除此之外，它也具有输出光束的光学质量高，相干性好，线宽窄，工作稳定等优点。因此应用于切割、打孔等等方面可以收到非常理想的效果。（见图2CO2激光发生原理图）
图2 CO2激光发生原理图
通过各项原有设备的优点相结后，它具有地面激光炮所没有的机动性，以及无人机载喷火装置所没有的射程，无残留等特性。使用无人机挂载经改良的激光炮后，激光炮便可以近距离接近漂浮物，更容易瞄准，对漂浮物的处理更加的快速方便。
项目前期测试无人机挂载激光炮的稳定性以及机动性，以及激光炮在相对远距离是否能有效切割漂浮物（如气球、薄膜袋、鱼线等）。选取部分线路做激光炮挂载飞行测试。观察高压线路是否对无人机的飞行及悬停造成影响。以及挂载重量较大的激光炮后无人机是否还能稳定的悬停确保激光炮能够正常瞄准漂浮物。后期选择带有漂浮物的线路进行实测，确保无人机及激光炮能够协同工作，互不影响。
二氧化碳激光器为气体分子激光,其中主要物质为CO2、N2、He三种气体组成。其中CO2是产生激光辐射的气体、N2及He为辅助性气体。加入其中的He，可以加速010能级热驰豫过程，因此有利于激光能级100及020的抽空。N2加入主要在CO2激光器中起能量传递作用，为CO2激光上能级粒子数的积累与大功率高效率的激光输出起到强有力的作用。放电管中，通常输入几十mA或几百mA的直流电流。放电时，放电管中的混合气体内的氮分子由于受到电子的撞击而被激发起来。这时受到激发的氮分子便和CO2分子发生碰撞，N2分子把自己的能量传递给CO2分子，CO2分子从低能级跃迁到高能级上形成粒子束反转发出激光。
整个项目研究的技术关键点主要是有以下几点：1、激光管的驱动需要高压直流，来使激光管启辉激发，要确保驱动电路的稳定高效；2、激光管激发后会产生大量的热量，所以需要加上主动式水冷散热，要求设备有较高的集成度和较轻的质量；3、C02激光发射出的波长为远红外光，波长为10.6μm，人肉眼不能观察，所以需要外加红外激光
头来指示C02激光照射方向；4、无人机载激光炮对无人机的稳定性操控性要求较高需求，且由于设备较重对无人机的最大起飞重量也有一定的需求。
2应用效果
通过这个项目的研究，将研发了遥控控制无人机载激光炮的发射与关断的功能，同时通过图传监控天空端的实时画面，确保任务能够顺利的稳定运行。另外，也解决了传统的C02激光管只能使用市电220V供电的问题，通过使用无人机挂载的动力锂电池供电，利用逆变电路将直流低压升压到足够启辉激光管的电压后整流为直流，就可以直接作为驱动激光炮的驱动电源，大大提高了整套无人机机载激光炮的一体性和可靠性。
3 结语
通过无人机机载激光炮的研发成功，预期效果将达到以下几点，首先是免除因为人员攀爬杆塔清除漂浮物的危险。然后是免除因为清除漂浮物断电对生产带来的损失。同时也降低因为使用喷火装置带来火灾隐患的风险。还免除因为使用喷火装置燃油泄漏对农田造成污染。最终降低了清除漂浮物的人力及成本。
参考文献
[1]陈剑光、周华敏等广东电网有限责任公司架空输电线路多旋翼无人机作业实施细则.
[2]中国民用无人机驾驶航空器系统空中交通管理办法.
作者简介
黄耀升（1983），男，广东江门人，电气高级工程师，输电方向；陈志锋（1988），男，广东江门人，电气工程师，输电方向。
论文作者:黄耀升,陈志锋
论文发表刊物:《电力设备》2017年第34期
论文发表时间:2018/5/15
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